一种接触器控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及接触器等电磁系统装置，特别涉及接触器等电磁系统装置的控制。


背景技术：

2.传统的接触器等电磁系统装置由线圈和铁芯组成，工作过程分三个阶段：吸合阶段、吸持阶段和关断阶段。吸合阶段，线圈通过大的吸合电流，产生足够大的电磁力使接触器触头吸合。吸持阶段，该阶段线圈的吸持电流约为吸合电流的十分之一，过大的吸持电流会使线圈的损耗增大。关断阶段，线圈的电流被消耗使得接触器触头断开，该过程中，线圈中电流消耗得越快，接触器断开越迅速、越可靠。
3.在接触器关断控制过程中，具体做法为通过控制接触器线圈电感消磁，间接控制接触器分闸弹簧弹开，使得主触头断开连接。
4.接触器工作时通常连接大电流主功率回路，在关断时会使主触头产生拉电弧现象，从而产生火花，存在很大的安全隐患，在环境恶劣的场所更是容易起火燃烧。此外，接触器每一次关断都会烧一次主触头，久而久之，触头会随关断次数的增多而烧毁，严重影响接触器的使用寿命和可靠性，电弧甚至会导致接触器主触头吸在一起，使主功率回路无法断开，持续有大电流导通，烧毁被控装置，对人身安全、环境安全、财产安全等造成更严重的危害。因此，接触器的关断速度就成为一个很关键的技术指标，关断时间越长，拉电弧的时间也就越长，安全隐患也就越大。
5.申请号为201911066386.5、发明名称为《一种接触器节电控制电路及其控制方法》的中国专利申请文献中提出了现有技术的一种解决方案，如图1所示。
6.该方案以pwm斩波的方式控制接触器，具体控制策略为：接触器吸合阶段上管tr1和下下管tr2均开通，实现接触器线圈l1的大电流激磁，以便接触器快速吸合。接触器吸合结束后进入吸持阶段，上管tr1将保持常通，下管tr2以较小的占空比实现线圈电感的小电流、低功耗要求，吸持阶段消磁电压仅为二极管d1的正向导通压降，接触器线圈l1电流斜率低、波动小，实现接触器的稳定吸合，降低接触器脱扣的风险。当关断信号发出后，上管tr1和下管tr2需要快速关断，通过母线输入滤波电容cin吸收接触器线圈l1消磁能量，实现接触器的快速释放。
7.该电路实现快速关断的核心思想为：关断时提高接触器线圈l1的消磁电压，以增大接触器线圈l1电流下降的斜率，从而减小接触器关断释放的时间。另外，该方案从设计上使得接触器线圈l1两端的消磁电压最大可以钳位于母线输入滤波电容cin电压与两个二极管d1和d2正向导通压降之和，能主动规避过高的电压应力对后级电路带来的应力风险。同时，该电路结构简单，因此性能和成本上相对于主流方案存在明显优势。
8.但该电路也存在一些弊端，主要在于：由于是双管串联结构，上管tr1浮地，必须采用隔离驱动，且上管tr1与下管tr2并不是同步或互补的常规pwm斩波控制方式，要求上管tr1在正常工作时保持常通，母线断电后要求快速关断，因此其上管tr1驱动控制较为困难，
并且该专利申请未提及具体的驱动方式，这样的驱动要求使得使用自举电容驱动上管tr1为最佳选择，但自举电容在关断阶段放电速度很慢，无法实现上管tr1快速关断的要求，其通过提升接触器线圈l1的消磁电压来加快接触器释放速度的控制思想就没有办法实现。此外，关断信号发出后自举电容上的驱动电压不能及时下降，还会使上管tr1工作在恒流区，可靠性降低，增大其失效的风险。
9.申请号为201911142072.9、发明名称为《一种接触器线圈隔离控制电路及其隔离控制方法》的中国专利申请文献中的技术方案，提出了一种针对自举电容快速放电的方法，如图2所示，其设计思想为在关断阶段控制光耦导通，连接自举电容c1快速放电，但该电路也存在弊端，主要在于：首先，由于光耦传输比ctr的存在，光耦副边光敏三极管工作在放大区，无法达到饱和导通的工作状态，使得放电速度始终受到一定的限制，这会直接导致接触器释放速度受限；其次，在开关管tr1驱动电压缓慢下降的过程中，还可能加剧其米勒效应，加重开关管的关断损耗，提高其失效风险；最后，该电路无钳位功能，在关断时接触器线圈l1两端的电压尖峰会给后级电路带来应力风险。


技术实现要素：

10.有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种接触器控制电路，可快速关断接触器，极大减小接触器关断释放延时，且电路中还包含对开关管的隔离驱动。
11.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
12.一种接触器控制电路，其特征在于：包括光耦u1、电容c1、npn型三极管q1、开关管tr1、开关管tr2、二极管d1、二极管d2、正输入端口vin、负输入端口gnd、第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口ctrl4；
13.开关管tr1的漏极同时连接正输入端口vin和二极管d1的阴极，开关管tr1的栅极同时连接电容c1的一端、三极管q1的集电极、光耦u1的4脚和第三控制端口ctrl3，开关管tr1的源极、二极管d2的阴极、电容c1的另一端和三极管q1的发射极连接在一起后用于连接接触器线圈l1的一端；开关管tr2的漏极和二极管d1的阳极连接在一起后用于连接接触器线圈l1的另一端，开关管tr2的源极同时连接负输入端口gnd和二极管d2的阳极，开关管tr2的栅极连接第四控制端口ctrl4；光耦u1的1脚连接第一控制端口ctrl1，光耦u1的2脚连接第二控制端口ctrl2，光耦u1的3脚连接三极管q1的基极；
14.正输入端口vin用于连接电网的正端，负输入端口gnd用于连接电网的负端；第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口用于输入控制信号，实现控制三极管q1、开关管tr1和开关管tr2的导通与关断。
15.进一步地，上述技术方案还包括电阻r1，电阻r1的一端同时连接光耦u1的4脚和三极管q1的集电极，电阻r1的另一端同时连接电容c1的一端和开关管tr1的栅极。
16.本实用新型解决上述技术问题还提供另外一种技术方案，如下：
17.一种接触器控制电路，其特征在于：包括光耦u1、电容c1、pnp型三极管q1、开关管tr1、开关管tr2、二极管d1、二极管d2、正输入端口vin、负输入端口gnd、第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口ctrl4；
18.开关管tr1的漏极同时连接正输入端口vin和二极管d1的阴极，开关管tr1的栅极同时连接电容c1的一端、三极管q1的发射极和第三控制端口ctrl3，开关管tr1的源极、二极
管d2的阴极、电容c1的另一端、三极管q1的集电极和光耦u1的3脚连接在一起后用于连接接触器线圈l1的一端；开关管tr2的漏极和二极管d1的阳极连接在一起后用于连接接触器线圈l1的另一端，开关管tr2的源极同时连接负输入端口gnd和二极管d2的阳极，开关管tr2的栅极连接第四控制端口ctrl4；光耦u1的1脚连接第一控制端口ctrl1，光耦u1的2脚连接第二控制端口ctrl2，光耦u1的4脚连接三极管q1的基极；
19.正输入端口vin用于连接电网的正端，负输入端口gnd用于连接电网的负端；第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口ctrl4用于输入控制信号，实现控制三极管q1、开关管tr1和开关管tr2的导通与关断。
20.进一步地，上述技术方案还包括电阻r1，电阻r1的一端同时连接三极管q1的发射极，电阻r1的另一端同时连接电容c1的一端和开关管tr1的栅极。
21.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
22.(1)在图1现有技术的基础上，设计了上管和下管的隔离驱动电路，且该隔离驱动电路中的自举电容放电速度非常快，实现了上管超快速关断，减少了米勒效应带来的影响，降低了开关管损耗；
23.(2)可快速关断接触器，极大减小接触器关断释放延时，较图2所示电路接触器关断延时缩短了一倍以上；
24.(3)在接触器关断时的消磁电压尖峰通过二极管d1和二极管d2被钳位于输入母线电容电压与两个二极管d1和d2正向导通压降之和，能为后级器件应力做保护，并实现能量回收至母线输入滤波电容cin；
25.(4)电路简单，器件选型通用，控制隔离，成本低，易操作。
附图说明
26.图1为现有技术之一的接触器控制电路原理图；
27.图2为现有技术之二的接触器控制电路原理图；
28.图3为本实用新型第一实施例的接触器控制电路应用原理图；
29.图4为本实用新型第二实施例的接触器控制电路应用原理图；
30.图5为本实用新型第三实施例的接触器控制电路应用原理图。
具体实施方式
31.本实用新型的发明构思为在现有双管串联接触器控制电路的基础上，对开关管的驱动进行了具体实现及优化设计，解决了其中浮地开关管快速关断存在的技术问题，具体地，利用光耦电气隔离与单向传输信号的特性，配合达林顿管复合放大作用，实现了接触器快速释放的同时，还可以使接触器线圈消磁的能量回收至母线电容。以下结合附图及实施例，对本实用新型电路进行说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型电路。
32.第一实施例
33.图3为本实用新型案例的第一实施例的接触器控制电路应用原理图，如图所示，其中的电感l1为接触器线圈，电容cin为母线输入滤波电容，电容cin连接在电网的正端和电网的负端之间，本实施例的接触器控制电路包括：光耦u1、电容c1、npn型三极管q1、开关管
tr1、开关管tr2、二极管d1、二极管d2、正输入端口vin、负输入端口gnd、第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口ctrl4。
34.开关管tr1的漏极同时连接正输入端口vin和二极管d1的阴极，开关管tr1的栅极同时连接电容c1的一端、三极管q1的集电极、光耦u1的4脚和第三控制端口ctrl3，开关管tr1的源极、二极管d2的阴极、电容c1的另一端和三极管q1的发射极连接在一起后用于连接接触器线圈l1的一端；开关管tr2的漏极和二极管d1的阳极连接在一起后用于连接接触器线圈l1的另一端，开关管tr2的源极同时连接负输入端口gnd和二极管d2的阳极，开关管tr2的栅极连接第四控制端口ctrl4；光耦u1的1脚连接第一控制端口ctrl1，光耦u1的2脚连接第二控制端口ctrl2，光耦u1的3脚连接三极管q1的基极。
35.正输入端口vin用于连接电网的正端，负输入端口gnd用于连接电网的负端；第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2、第三控制端口ctrl3和第四控制端口ctrl4用于输入控制信号，实现控制三极管q1、开关管tr1和开关管tr2的导通与关断。
36.本实施例接触器控制电路的工作原理如下：
37.当接触器工作在吸合阶段，第一控制端口ctrl1与第二控制端口ctrl2输入同步的控制信号，且第一控制端口ctrl1输入的控制信号等于或小于第二控制端口ctrl2输入的控制信号的电位，小于的具体电位值需要保证光耦u1的原边无电流流过，光耦u1处于关断状态。第三控制端口ctrl3输入的控制信号会持续给电容c1充电，为开关管tr1提供稳定的驱动电压，开关管tr1导通。第四控制端口ctrl4输入的控制信号会持续维持在高电平，使开关管tr2导通，至此以最大的电流为接触器线圈激磁提供能量，直至接触器完全吸合。
38.当接触器工作在吸持阶段，第一控制端口ctrl1、第二控制端口ctrl2与第三控制端口ctrl3输入的控制信号与吸合阶段相同，电容c1稳定持续地为开关管tr1提供驱动能量，维持开关管tr1导通。为了降低功耗，第四控制端口ctrl4将以pwm斩波的方式控制开关管tr2，在下管关断时通过二极管d1消磁，消磁电压小，接触器线圈l1的电流波动小，使接触器稳定吸持。
39.当接触器工作在关断阶段，在接触器母线断电后，第四控制端口ctrl4首先会立即置低，关断开关管tr2，同时第三控制端口ctrl3输入的控制信号立刻停止为电容c1充电，由于开关管tr1浮地自举，开关管tr1无法像开关管tr2一样立即关断；仅靠开关管tr1消耗电容c1上的能量，关断速度是远远不够的，这会导致接触器主触头已经弹开，开关管tr1还没有完全关断。
40.这时置低第二控制端口ctrl2输入的控制信号的电位，使光耦u1导通，光耦u1副边的光敏三极管会为三极管q1提供基极电流。
41.加入三极管q1后与光耦u1副边的光敏三极管组成达林顿复合管结构，加强电流放大倍数，加速抽取电容c1上的电流，释放驱动电压，快速关断开关管tr1，从而实现利用母线回收接触器线圈l1消磁能量的设计思想，同时由于消磁电压很高，接触器主触头会迅速弹开。
42.以下为在相同的测试条件及测试环境下，本实施例与图2所示电路接触器关断释放延时的测试数据:
[0043][0044]
通过上述数据可以看出，本实施例与图2所示现有技术接触器控制电路相比，接触器的关断释放延时缩短了一倍以上。
[0045]
此外，本实施例中双管串联的结构还可以使消磁电压最大值被钳位于输入母线电容电压与两个二极管d1和d2正向导通压降之和，主动规避过高的电压应力对后级器件带来的应力风险。
[0046]
第二实施例
[0047]
图4为本实用新型的第二实施例的接触器控制电路应用原理图，如图所示，与第一实施例相比不同之处在于本实施例的接触器控制电路还包括电阻r1。电阻r1的一端同时连接光耦u1的4脚和三极管q1的集电极，电阻r1的另一端同时连接电容c1的一端和开关管tr1的栅极。
[0048]
本实施例工作原理与第一实施例一致，不同之处在于增加电阻r1后，可以控制流过光耦u1副边光敏三极管的电流，将电容c1放电的能量损耗在电阻r1上，保护光耦u1和三极管q1。同时开关管tr1的关断速度可以自由调整，从而更好地控制接触器关断延时。
[0049]
第三实施例
[0050]
图5为本实用新型的第三实施例的接触器控制电路应用原理图，如图所示，与第二实施例相比不同之处在于将接触器控制电路中的npn型三极管q1替换为pnp型三极管。此时，三极管q1的基极连接光耦u1的4脚，三极管q1的发射极连接第一电阻r1的一端，三极管q1的集电极同时连接光耦u1的3脚、电容c1的一端、二极管d2的阴极和开关管tr1的源极。
[0051]
用pnp三极管代替npn型三极管同样可组成达林顿复合结构，本实施例电路工作原理与第二实施例一致，不在赘述。
[0052]
需要说明的是，本实用新型的接触器不仅仅包括狭义的接触器，还包括电磁阀等任何需要快速关断的电磁系统装置。以上仅是本实用新型的优选实施例，应当指出的是，上述优选实施例不应视为对本实用新型的限制，还应认识到，本实用新型可应用于其它更为广泛的范围中。按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，如将第一实施例中的npn型三极管q1替换为pnp型三极管，这些修改、替换或变更均落在本实用新型权利保护范围之内。